[发明专利]一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及铸造高温合金技术领域，尤其涉及一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金及制备方法，特别是能够应用于高温(1100℃)使用的燃气轮机涡轮叶片等热端部件。

背景技术

燃气轮机是世界上主要动力设备之一，直接影响到能源、交通、环保等高技术产品的发展。涡轮叶片是燃气轮机所有部件中最重要的关键部件，承受着最严酷的温度、应力、环境的综合作用。11万千瓦以上高功率高效率重型燃机的涡轮叶片工作温度将接近1000℃，使用柴油、原油、重油、天然气或液体等重污染燃料，对叶片有很强的腐蚀性和冲刷磨损作用，因此燃气轮机涡轮叶片需要具有良好的耐热腐蚀性；同时工业燃机涡轮的稳态运行时间和峰值温度运行时间约为100000小时，因此燃气轮机涡轮叶片需要具有良好的长时组织稳定性。另外，在保证合金性能的前提下，应考虑到降低叶片的材料成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金及制备方法，不仅具有优异的高温持久性能和抗热腐蚀性能，同时不含有稀贵金属，降低成本。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金，包括以下成分：以重量百分比计，Cr：12-14％，Co：7.5-8.5％，Mo：1.0-1.8％，W：3.5-4.3％，Al：3.4-4.2％，Ti：3.5-4.3％，Ta：4.0-5.0％，B：0.005-0.015％，Zr：0.015-0.025％，C：0.09-0.15％，Hf:0.3-0.8％，余量为Ni。

对本发明所述的抗热蚀定向凝固镍基高温合金中各元素及重量百分比选择理由陈述如下：

Cr元素的主要作用在于保护合金表面不受O、S盐的作用而产生氧化和热腐蚀。镍基合金中Cr元素的含量高于12wt.％，才有较好的抗热蚀效果，但过高的Cr含量容易导致有害的TCP相(拓扑密排相)在合金中的析出，损害合金的高温持久性能。因此，本发明中Cr含量控制在12-14％，在保证合金具有良好的抗热蚀性能的同时，也使合金获得优异的组织稳定性。

W、Mo、Co元素的作用在于强化合金基体，它们主要固溶于γ基体中，同时由于它们的加入，能够降低Al、Ti等元素在基体中的溶解度，从而提高了γ'强化相的数量。W、Mo元素与Ni的原子半径相差较大，因此，对合金有很强的固溶强化作用，可有效的提高合金热强性。但是，过高的W、Mo含量不利于合金的抗高温热蚀性能，且容易导致有害的TCP相的和大块的碳化物析出，降低合金高温力学性能。因此，适当的提高Co元素的含量，能够增加W、Mo元素在合金中的溶解度以降低TCP相和碳化物析出并改善碳化物的析出形态；并且，维持W、Mo元素的含量在一个适当的水平，使其对基体起到强化作用的同时，兼顾合金的抗热蚀性能。综合Co、Mo和W对基体的强化作用以及对抗高温热蚀性能的影响，本发明控制Co含量为7.5-8.5％，Mo含量为1.0-1.8％，W含量为3.5-4.3％。

Al、Ti、Ta元素为主要的γ'强化相的形成和强化元素，Al元素有利于提高合金的抗氧化性能，Ti元素有利于提高合金的抗热蚀性能，由于本发明的合金主要为重型燃机轮机涡轮叶片使用，对抗热蚀性能和抗氧化性能均有较高的要求，因而，Ti元素的含量与Al元素相当。Ta元素的加入进一步强化了γ'强化相，可有效的提高合金的高温力学性能且还可进一步提高合金的抗热蚀性能。

微量的C、B、Zr、Hf元素的作用在于对晶界起到强化和净化的作用。C、B元素主要作为间隙原子富集于晶界并且与其它元素在晶界处形成碳化物和硼化物，对晶界处位错运动起到钉扎作用，从而达到强化晶界的作用；Zr、Hf元素可以与偏聚于晶界的有害的微量S元素相结合以达到净化晶界的目的。

本发明还提供一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金的制备方法，包括熔炼母合金、定向凝固及热处理，所述定向凝固及热处理具体如下：

(1)定向凝固：将熔炼的所述母合金在高真空定型凝固炉中定向凝固形成柱状晶合金，控制所述凝固炉中真空度小于9.0×10^-2Pa，浇注温度为1500-1580℃，模壳温度为1480-1540℃，水冷结晶器温度20-30℃，抽拉速度为3-9mm/min，温度梯度为50-100℃；

(2)热处理：将步骤(1)所述柱状晶合金在加热炉中随炉升温至1175-1185℃后，以5-10℃/小时的速率升温至1220-1240℃，保温3-5小时后，空冷至室温；升温至1060-1100℃，保温3-5小时后，空冷至室温；升温至840-880℃，保温16-32小时后，空冷至室温。